Čierne Diery


Už vo veľa filmoch sa objavili zábery ako celá kozmická loď vpadne do akejsi priepasti a vráti sa nepoškodená von v inom vesmíre. Je to len výmysel alebo je to naozaj pravda? Už roky sa vedci sporia o tom, či čierne diery naozaj vedú do ničoty alebo či sú len bránou v čase alebo v priestore.


Čo je to Čierna diera?

Čierna diera je otvor vo vesmíre, ktorý v ňom urobila hviezda po gravitačnom kolapse, keď sa zrútila sama do seba. Koncentrácia hmoty najvyššej hustoty vo forme bodu, v ktorom sa čas a priestor správa úplne inak ako na zemi. Keby sa kozmonaut dostal do takejto diery bol by vtiahnutý do jej stredu. Viackrát by sa z nej nedostal. Dookola je obklopená oblasťou o rozlohe mnohých kilometrov štvorcových, kde gravitácia pôsobí oveľa silnejšie ako všade inde vo vesmíre. Zaujímavá je aj hustota čiernej diery. Je tak obrovská že pohlcuje všetko žiarenie, tak ako aj svetlo, tak aj rádiové vlny. Preto by bola vlastne prieskumná misia úplne zbytočná.

Teória čiernych dier a ich dôkaz je hlavnou prioritou vedy 20. storočia. Avšak už v roku 1789 sa francúzsky astronóm Laplace nazdával, že musí existovať niečo také ako čierne diery. Vo svojom diele predložil protirečivú hypotézu, že najjasnejšie hviezdy sú v skutočnosti neviditeľné. Vychádzal pritom z Newtonovho zákona i tiaži. Keby mala hviezda hustotu slnka a priemer 250 ráz väčší ako ono, Laplace si myslí, že jej gravitácia by bola taká veľká, že by z jej povrchu neunikalo žiadne svetlo. Keďže by takéto ťažké hviezdy vydávali veľa svetla, museli by byť najjasnejšie hviezdy neviditeľné.


Moderné Teórie

Tieto teórie, ktoré sa opierajú hlavne o dielo Alberta Einsteina, úplne vyvrátili Laplacovu teóriu. Predpokladá sa, že čierne diery vznikajú implóziou, pri ktorej sa hmota zrúti sama do seba a stlačí sa do nepredstavitelnej hustoty. Albert Einstein pridal k tretiemu rozmeru rozmer štvrtý a nazval ho časopriestor. Pomocou tohto rozmeru rozvinul v roku 1916 nové chápanie gravitácie. Nechápal ju ako príťažlivú silu medzi dvoma telesami ale ako súčasť priestoru a času. Hmota zakrivuje časopriestor. Časopriestor, ktorý je sám o sebe relatívne rovný, zakrivuje sa o to viac, o čo väčšia je hmotnosť, ktorá naň pôsobí. To znamená, že pri vyššej gravitácií čas plynie pomalšie. Keďže v čiernej diere je gravitácia mimoriadne veľká, musel by pre nášho kozmonauta čas plynúť pomalšie a to tak, že čím by bol bližšie k jej stredu tým pomlašie by čas plynul a možno by sa aj úplne zastavil.


Skutočnosť

Všeobecná relativita (rovnako ako iné metrické teórie gravitácie) tvrdí nielen že čierne diery môžu existovať, ale v skutočnosti priamo predpovedajú, že sú vytvárané prirodzene, kedykoľvek sa dostatočné množstvo hmoty zhustí v danom priestore vo vesmíre, vďaka procesu nazývanému gravitačné zrútenie (gravitačný kolaps). Keď do budúcej čiernej diery pribúda hmota, jej gravitácia sa zvyšuje – alebo v jazyku relativity – zakrivenie priestoru v okolí sa zväčšuje. Ak úniková rýchlosť v nejakej vzdialenosti od stredu dosiahne rýchlosť svetla, vytvorí sa horizont udalostí, vnútri ktorého musí hmota nevyhnutne prepadávať do jedného bodu vytvárajúc tak singularitu.

Kvantitatívna analýza tejto myšlienky viedla k predpovedi, že hviezda okolo trojnásobku hmotnosti nášho Slnka na konci svojho vývoja (zvyčajne ako neutrónová hviezda), sa takmer nevyhnutne zmrští na kritickú veľkosť potrebnú na naštartovanie gravitačného zrútenia. Keď tento proces začne, nie je možné ho zastaviť žiadnou fyzikálnou silou a vytvorí sa čierna diera.

Kolaps hviezdy vytvorí čiernu dieru aspoň trikrát hmotnejšiu než Slnko. Čierne diery menšie než tento limit môžu byť vytvorené iba ak ich hmota je pod dostatočným tlakom z nejakého zdroja iného ako vlastná gravitácia. Predpokladá sa, že obrovské tlaky potrebné pre takého zrútenie existovali vo veľmi raných štádiách vývoja vesmíru a možno pomáhali vytvoriť prvotné čierne diery, ktoré by mohli mať hmotnosti menšie ako Slnko.

Supermasívne čierne diery obsahujúce od miliónov po miliardy slnečných hmôt môžu byť vytvorené v prípade, že sa niekde vo vesmíre tesní veľký počet hviezd v relatívne malom priestore alebo s veľkými množstvami hmoty kolapsujúcej do „jadra“ čiernej diery alebo opakovanými fúziami menších čiernych dier. Predpokladá sa, že potrebné podmienky existujú v centrách niektorých (ak nie väčšiny) galaxií, vrátane našej Mliečnej dráhy.
Pozorovanie

Teória hovorí, že nemôžeme objaviť čierne diery podľa svetla vyžarovaného alebo odrazeného od hmoty v ich vnútri. Tieto objekty však môžu byť predpovedané z pozorovania javov v ich blízkosti, ako napríklad jav gravitačnej šošovky a hviezd, ktoré zdanlivo obiehajú okolo priestoru, kde nie je viditeľná žiadna hmota.

Za najviditeľnejšie efekty sú považované tie, ktoré pochádzajú z hmoty rútiacej sa do čiernej diery, ktorá (ako voda tečúca do odtoku) sa podľa predpovedí sústreďuje do extrémne horúcich a rýchlo sa točiacich akréčnych diskov okolo objektu, kým je ním pohltená. Trenie medzi priľahlými zónami disku spôsobuje, že sa prehrieva a vyžaruje veľké množstvá röntgenových lúčov. Toto zahrievanie je výnimočne výkonné a môže premeniť okolo 50% hmoty na žiarenie, v protiklade s nukleárnou fúziou, ktorá dokáže konvertovať iba niekoľko málo percent hmoty na energiu. Ďalšie predpokladané efekty sú úzke prúdy častíc v relativistických rýchlostiach vystrekujúce popri osiach disku. Jedným z možných laických vysvetlení je teória pingpongovej loptičky.

Akréčne disky, prúdy a obiehajúce objekty sa však nenachádzajú len okolo čiernych dier, ale aj okolo iných objektov ako neutrónové hviezdy a dynamika telies okolo týchto atraktorov, ktoré nie sú čiernymi dierami, je veľmi podobná dynamike telies v blízkosti čiernych dier a v súčasnosti je veľmi komplexným a aktívnym predmetom výskumu zahŕňajúcim magnetické polia a plazmovú fyziku. Preto aj platí, že pozorovania akréčnych diskov a obežných pohybov väčšinou iba indikujú existenciu kompaktného objektu s učitou hmotou a hovoria len veľmi málo o jeho podstate. Identifikácia objektu ako čiernej diery vyžaduje ďalšie predpoklady, že žiadny iný objekt (alebo spojený systém objektov) nemôže byť taký hmotný a kompaktný. Väčšina astrofyzikov pripúšťa, že toto je taký prípad, keďže podľa všeobecnej relativity sa musí akákoľvek koncentrácia hmoty dostatočnej hustoty nutne zrútiť do čiernej diery.

Jeden dôležitý pozorovateľný rozdiel medzi čiernymi dierami a inými kompaktnými hmotnými objektami je, že akákoľvek kolapsujúca hmota, ktorá napokon narazí na takýto kompaktný hmotný objekt v relativistických rýchlostiach vyvolá nepravidelné intenzívne vzplanutia röntgenového žiarenia a iné ťažké žiarenie. Preto nedostatok takýchto vzplanutí okolo kompaktnej koncentrácie hmoty sa považuje za dôkaz, že objekt je čierna diera bez povrchu, na ktorý by hmota náhle narazila.


Horizont udalosti

„Povrch“ čiernej diery sa označuje ako horizont udalostí, zdanlivý guľovitý povrch obklopujúci hmotu čiernej diery. Na úrovni horizontu udalostí je úniková rýchlosť rovná rýchlosti svetla. Preto neobyčajne silné gravitačné pole bráni všetkému vnútri horizontu udalostí, vrátane fotónov, uniknúť cez horizont udalostí. Častice spoza tejto oblasti sa môžu prepadnúť cez horizont udalostí, nikdy však neuniknú.

Keďže vnútro horizontu udalostí nemôžu opustiť žiadne častice, neexistuje možnosť poslať žiadnu informáciu zvnútra čiernej diery pozorovateľovi mimo nej. Všeobecne sa predpokladá, že čierne diery nemajú žiadne pozorovateľné vlastnosti, ktoré by boli použiteľné na objasnenie ich výzoru vo vnútri. Podľa klasickej všeobecnej relativity možno čierne diery úplne charakterizovať troma parametrami: hmota, uhlový moment a elektrický náboj. Tento princíp je zhrnutý frázou „čierne diery nemajú vlasy“.

Objekty v gravitačnom poli sú predmetom spomalenia času, nazývaného dilatácia času. Tento fenomén bol potvrdený experimentálne pri pokuse s raketou Scout v roku 1976 [1] a berie sa do úvahy napríklad pri GPS systéme. V blízkosti horizontu udalostí sa dilatácia času zvyšuje veľmi rýchlo. Z pohľadu externého pozorovateľa to vyzerá tak, akoby objektu trvalo nekonečne dlhý čas priblížiť sa k horizontu udalostí, na hranici ktorého má svetlo vychádzajúce z objektu pre pozorovateľa spektrálny červený posun rovný nekonečnu. Vzdialenému pozorovateľovi sa zdá, že objekt padá stále pomalšie, približuje sa, ale nikdy nedosiahne horizont udalostí. Samotný objekt nemusí ani spozorovať bod, v ktorom prekročí horizont udalostí a z jeho pohľadu sa tak stane v konečnom čase: je to len vlastnosť svetla opúšťajúceho blízkosť čiernej diery, pri ktorej to vyzerá, že objekt nikdy horizont udalostí nedosiahne.